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刀剪磨削工艺研究 中文摘要 磨削是常用的精加工方法，磨削质量直接影响工件的精度和品质， 刀剪产品加工的关键技术在于磨削和抛光。刀剪磨削不同于普通磨削， 其磨削特点有磨削量大、表面硬度高、纹理细密等，属一次性强力磨 削。在磨削过程中会产生磨焦、卷刃、塌头、刀剪口线不直，剪根有 台阶、裂纹、纹理过粗等缺陷。本课题根据生产厂家的要求，通过对 生产操作模式和工艺参数的优化，完善刀剪刃口大切削量磨削的理论 基础，进而发展刀剪刃口磨削：e 艺技术。 第一章介绍了刀剪产品的市场竞争趋势，对国内外刀剪产品的情 况进行对比，并介绍了本文的课题来源、目标、内容和工作方案。 第二章综述了目前国内刀剪磨削方法；从磨具磨料、磨削面等方 面说明刀剪的磨削特征；并分析刀剪磨削技术的发展和关键技术。 第三章对刀剪磨削力的计算进行分析。文中列出磨削力计算经验 公式、实用公式及理论计算公式，根据磨削方式的不同选择磨削力计 算公式，在设计时可以反复多次计算确定各项磨削参数，并进行强度 校核。 第四章提出砂轮对刀剪进行磨削加工过程中产生的磨削热是影响 刀剪表面质量的重要因素，分析了磨削热的产生，讨论了磨削温度对 刀剪产品的影响；对刀剪磨焦作了较详细的分析，磨削刀剪时选择合 适的砂轮、冷却方式及磨削量等参数，确保刀剪产品的磨削质量。 浙江丁业大学工程硕十学位论文 第五章从刀剪加工工艺分析了刀剪裂纹的产生和扩展，根据刀剪 的形状和磨削部位等确定危险截面，对产生的危险裂纹从受力方面进 行分析。通过断裂力学理论对民用剪刀裂纹处的应力强度因子和应力 状况进行分析，由切向磨削力和法向磨削力计算出临界裂纹，并举例 进行计算和验证。通过刀具开裂成因及其改进举例分析，提出相应的 改进措施。 最后，对本文的研究结果进行了总结并对进一步工作进行展望。 美键词：刀剪磨削，磨削方法，参数分析，磨削计算 浙江工业人学t 程颂：上学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ng r i n d i n gt e c h n o l o g yo fk n i v e sa n ds c i s s o r s g r i n d i n gi su s u a l l yu s e di nf i n i s hm a c h i n i n g t h eq u a l i t yo fg r i n d i n gi m m e d i a t e l y i n f l u e n c e s p r e c i s i o n a n d q u a l i t y o fw o r k g r i n d i n ga n dp o l i s h i n gi st h e k e yf o r t e c h n i q u eo f k n i v e sa n ds c i s s o r sm a n u f a c t u r e k n i v e sa n ds c i s s o r sg r i n d i n gh a v ed i f f e r e n t f r o mo t h e rc o m x a o n l yp r o d u c tg r i n d i n g i th a sh i g hg r i n d i n gq u a n t i t y , r i g i ds u r f a c e ，f i n t e x t u r ea n ds oo n ，s oi th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fo n e o f fm i g h t yg r i n d i n g d u r i n gt h e g i n d i n gp r o c e s s ，i ts h o u l db r i n gm u c hd i s f i g u r e m e n ts u c ha sg r i n d i n gb u m ，b l a d ew a r p ， c o l l a p s e d f o r h e a d , s t e p i nt h eb o o t ，c r a c k ，t h i c kt e x t u r ea n ds oo n t h e s u b j e c t a c c o r d i n gt ot h ec o r p o r a t i o n sd e m a n d e dt h a tp e r f e c tt h eb a s i ct h e o r yo fg r i n d i n gi n l a r g es c a l e ，t h r o u g ht h em o d e o f p r o d u c i n ga n do p t i m i z et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r a n d i t c a l ld e v e l o pt h et e c h n o l o g yo f k n i v e sa n ds c i s s o r sc r a f t i nc h a p t e r1 ，i n t r o d u c i n gt h em a r k e tc o m p e t i t i o nt e n d e n c yo fk n i v e sa n ds c i s s o r s t h e r ea r ec o n t r a s t so fk n i v e sa n ds c i s s o r s p r o d u c t i o nb e t w e e nt h eo t h e rc o u n t r ya n d o u r s t oa n a l y s i st h ed e v e l o p i n go fk n i v e sa n ds c i s s o r st h r o u g hm a t e r i a la n d c r a f t ，t h e o r i g i na n d a r n la n dm a i nc o n t e n t sh a v eb e e ni n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，s u m m a r i z i n gt h ew a yo fk n i v e sa n ds c i s s o r si nc h i n a t h eg r i n d i n g c h a r a c t e r so fk n i v e sa n ds c i s s o r sh a v ea c c o u n t e df r o mt h e g r i n d i n gt o o l s a n dt h e g r i n d i n gs u r f a c e t h ek e y sf o rt e c h n i q u eo fg r i n d i n gh a v eb e e na n a l y z e d i nc h a p t e r3 ，i n t r o d u c i n ga n a l y s i so nt h ec a l c u l a t i n gg r i n d i n gp o w e r , i ti s v e r y c o m p l e x i t y t h e y h a v eb e e nl i s t e dt h a tc a l c u l a t i n gw i t he x p e r i e n c ef o r m u l aa n d u t i l i t y f o r m u l aa n dt h e o r yf o r m u l a a c c o r d i n gt od i f f e ri ng r i n d i n gm o d e s ，c h o o s e sd i f f e r e n t c a l c u l a t i o nf o r m u l a i nt h e d e s i g n ，g r i n d i n gp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e df r o mr e p e a t c a r c u l a t i o na n di n t e n s i o nc h e c k o u t i nc h a p t e r4 ，t h eg r i n d i n gh e a tw h i c h p r o d u c ei nt h ep r o c e s sb yg r i n d i n gw h e e li t i s j m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c et h es u r f c eq u a l i t yo fk n i v e sa n ds c i s s o r s ，i ta n a l y z i n gt h e g r i n d i n g h e a t p r o d u c e ，d i s c u s s i n gg r i n d i n gt e m p e r a t u r ew h i c he f f e c t sk n i v e sa n d s c i s s o r s p r o d u c t ，b r i n gf o r w a r dt h er i g h tc h o i c eo fg r i n d i n gw h e e l ，c o o l i n gw a ya n d g r i n d i n gq u a n t i t y h 1 s u r et h eg r i n d i n gq u a l i t yo f p r o d u c t i l 塑坚三些查堂三堡堡堂堡堕墨 一 _ _ - _ ， i nc h a p t e r5 a n a l y z i n gp r o d u c ea n de x p e n do fk n i v e sa n ds c i s s o r sc r a c k l ef r o m m a c h i n et e c h n o l o g yt oc o n f i r md a n g e rs e c t i o nw h i c hb a s e o nf i g u r eo fk n i v e sm a d s c i s s o r sa n dg r i n d i n gp o s i t i o n u s i n gc a t c h p o w e ra n a l y s i sd a n g e r c r a c k l e ，b r i n g f o r w a r d c o r r e s p o n d e n c ek e e pa w a ym e a s u r e a c c o r d i n g t ot h e r u p t u r et h e o r y t o a n a l y z i n ge n d u r i n gp o w e rd i v i s o ra n de n d u r ep o w e r s t a t u sf r o mc r a c kp a r t c a l c u l a t e c r i t i c a lc r a c k l ef r o mo u t w a yg r i n d i n gp o w e ra n dp e r p e n d i c u l a r d i r e c t i o ng r i n d i n g p o w e r a n dg i v es o m ee x a m p l e st oc a l c u l a t ea n dv a l i d a t e i m p r o v e dm e a s u r e s h a v eb e e n a d v a n c e dt h r o u g ha n a l y s i so f k n i v e sc r a z e r e a s o n sa n da m e f i o r a t i o n f i n a l l y , t h e m a i nc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r er e s e a r c h a r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：g r i n d i n g o fk n i v e sa n ds c i s s o r s ，g r i n d i n gm e t h o d s ， p a r a m e t e r a n a l y s i s ，g r i n d i n g c a l c u l a t e v 浙江工业太学t 程硕上学位论丈 第一章绪论 1 1 刀剪产品市场竞争趋势 刀剪行业是我国历史悠久的传统行业，现正名副其实地呈现了“小商品，大 市场”的喜人形势。2 0 0 3 年国际刀剪进出口总额是3 6 亿美元，我国刀剪出口总额 是4 1 l 亿美元，占世界出口总额的l o 左右，其中一半以上是对外来料加工，市 场空间非常广阔。我国出口产品高档次不多，基本都是中低档产品。随着中国加 入世界贸易组织，我国的刀剪行业将更多地参与国际市场竞争。如何增强刀剪行 业的国际竞争力，促进我国刀剪产业发展? 分析如下： 首先，在加入w t o 后，根据世贸组织的有关规定，以往国际发达国家对我国 经济的不平等和市场配额限制等不利因素将进一步减少、取消，对于以外向型为 主的我国刀剪行业进军国际市场的发展非常有利。 再者，刀剪产业作为劳动密集型行业，除劳动力和原材料相对廉价等优势外， 还有其一定市场优势，将有利于进一步吸引外资转移到我国市场。其先进技术和 雄厚实力将参与国内市场竞争，加速我国刀剪产业的经济技术结构调整。另外， 刀剪是人们日常生活的必需品，行业多以外向型经济为主，而国内潜在的消费市 场仍有很大的稳定发展空间。 目前，我国从事刀剪行业人士己经认识到，未来的竞争就是品牌竞争，围绕这 一最终目的，他们明确了新材料、新工艺的开发，依靠科技创新、提高产品档次、 提升专业化程度等一系列提高国际竞争力的主攻方向已非常明确。 、 1 2 刀剪产品的国内外现状对比 目前我国的刀剪产品大多是劳动密集型产品，在国内外市场上大部分属中、 低档类，附加值很低。由于产品档次低，售价大大低于发达国家的同类产品， 般只是同类产品的1 5 1 7 甚至更低。市场上1 0 寸裁剪的比较见表1 1 。 从表中可以看出，我国生产这些产品无疑等于出售原料、能源和劳力，投入 和产出的比价很低，企业的经济效益更低。当前国内外优质品遭假冒、仿制，也 浙江工业大学工程硕 ：学位论文 我国刀剪产品与国外产品的差距主要有以下几点： 1 、表面处理技术 先进的表面处理技术，使刀剪产品锦上添花，提高附加值。而我国刀剪表面电 镀层光泽较差，锤击印、表面挫伤、油漆流疤较为常见。国外刀剪产品不仅表面 采用较先进的技术，而且设计、造型和包装根据不同的消费市场而定，总体设计 美观大方，包装精美，标识统一，注重品牌。 2 、加工工艺及加工精度 我国产品相对较为粗糙，轮廓不清晰，手感较差。特别在磨削、抛光加工工 艺上相对落后，加工设备精度不高。 3 、热处理质量 热处理加工容易产生变形、开裂和硬度不足，国内产品主要反映在剪刀两片 硬度差值较大，即一片硬度高，一片硬度低，使得剪刀耐用度降低。 4 、产品设计 国外刀剪产品设计注重应用工业设计理论，产品的色泽、款式、结构、功能 与舒适感、良好的美感相互融合，以满足消费者的审美观念。与国外企业相比， 我国刀剪行业大多数居中小型企业，缺乏专职研究人员和产品开发人员，不少企 业基本上没有技术开发能力，产品开发处于模仿或引进阶段，对刀剪产品的基础 理论缺乏必要的研究，刀剪的锋利度还无法定量地进行检定。 1 3 目前我国刀剪产品发展趋势 针对上面所说的情况，对我国传统的刀剪产业采用现代科技成果进行改造， 加速产品的更新换代是增强刀剪行业的国际竞争力，促进我国刀剪产业发展的重 浙江工业人学一f 程坝上学位论文 要手段之一。 从产品结构和产品质量看，我国刀剪产品主要以中、低档为主，高档产品很 少且长期依赖进口。中低档刀剪产品附加值低。要提高产品档次，就必须加强产 品结构调整的力度，不断推广新技术、新工艺，加强产品的研究与开发及设备的 更新改造，促进行业的发展。近几年杭州张小泉剪刀集团公司和阳江十八子厨业 有限公司等企业瞄准国际一流刀剪生产企业和刀剪产品，嫁接其他先进技术和管 理办法，分别研究生产出高级裁衣剪、复合钢对焊菜刀等新产品，为全国刀剪行 业带了个好头。 另外，刀剪产品的设计、造型和产品包装与国外先进水平相比都有一定的差 距。我国刀剪行业大多数属于中小企业，缺乏专职研究人员和产品开发人员，像 杭州张小泉集团有限公司和阳江十八子厨业有限公司这样的企业为数不多，不少 企业基本上没有技术开发能力，产品开发处在模仿或引进阶段，对刀剪产品的基 础理论缺乏必要的研究，对产品的制造技术、质量好坏大多依靠经验，定性的多 定量的少，到目前为止刀剪的锋利度还无法定量地进行检定，都有待于基础理论 的不断地深入探讨和研究，才能更好地指导行业的产品创新。 1 3 1 材料 我国刀剪产品以中低档产品为主，低档产品用料一般采用普遍低碳、中碳钢 如4 5 号、5 0 号、6 5 m n 钢板及z c r l 3 、3 c r l 3 不锈钢制造，所产刀剪虽美观不锈， 但其锋利度和耐蚀性都不够理想，产品质量难以保证。要想制造出高档品牌剪刀 必须要有高档材料。为缩短与国外先进国家产品和用材上的差距，一些钢厂与刀 剪企业合作，先后陆续开发了一些新的含有钼、钛、钒的不锈钢材料如6 c r i 3 m o 、 6 c r l 8 m o 、8 c r l 3 m o v 和5 c r l 5 m o v 及全不锈复合钢等，提高了刀具的硬度和耐蚀性 制出的刀具锋利不锈、易磨、美观耐用。阳江十八子厨业有限公司就在国内首创 用不锈钢复合钢生产菜刀。复合钢的使用将给传统刀剪材料带来一场新的革命， 使刀剪产品的结构和性能发生根本性变化。 随着生活水平的提高，人们的健康意识大大提高，各种病菌的传播与危害成 为人们关注的社会问题，市场对刀剪等刃具的抗菌性能也有了追切要求。因此， 抗菌灭菌材料在刀剪行业的应用是个新课题，这种材料在同本应用很广，抗菌产 浙江工业大学工程硕卜学位论文 品每年以3 0 的速度递增。目前我国在抗菌灭菌方面在刀剪行业内才刚刚丌始研 究，国内还没有一家企业采用抗菌材料生产刀剪产品。这种抗菌技术的应用，成 本并不高，每把刀剪大概增加0 j o 8 元，消费者容易接受，既可提高产品附加 值，又可创造新的市场。 我国市场上已经研制出刀剪用抗菌不锈钢材料，是在不锈钢中加入适量铜， 经特殊处理后，使材料中能形成一种高浓度铜的第二相，均匀地分布于合金基体 中，当其裸露于表面时，不形成氧化铬的钝化膜，易析出正二价铜离子起到抗菌 作用。随着中国经济的发展，抗菌产品肯定会越来越多，抗菌材料也得到越来越 多的应用，这是一个必然的趋势。 刀剪生产企业只有与原料生产企业加强合作，让原材料生产企业为刀剪生产 企业生产出刀剪企业所需要的高质量的原材料，使材料的品种、规格、质量逐步 接近国际先进水平，加快产品升级换代，提高产品档次，才能增强产品在国际市 场的竞争力。 1 3 2 工艺 刀剪行业的竞争，很大程度是技术的竞争，刀剪业要取得飞跃式的革命，必须 在工艺和技术上取得较大的发展。 1 、磨削抛光工艺 先进国家制造刀剪大多按刀剪产品的规格尺寸、形状提供异形带钢，可减少 7 0 以上的抛磨量。对刀剪刃口的磨削和抛光，采用刀剪磨床、双面磨刀机、双 圆台磨床、砂带机、自动研磨机、数控抛磨机等先进设备加工；刀剪的刃口磨削 质量高，几何角度统一，表面粗糙度低，磨削纹路细腻。而国内大多数企业仍采 用手工磨削和抛光，刀剪质量不高，即使部分企业购买了国产的刀剪磨床，砂带 机等设备投入使用，加工出来的刀剪质量与国外产品尚有差距。差距主要在于对 磨削技术缺乏深层次的研究，刀剪磨削与普通机械零件的磨削不同，刀剪磨削深 度大，为一次性强力曲面成型磨削，所以磨削力大、磨削热量高。以下内容主要对 刀剪磨削进行综合概括，并进行较深层次的研究。 2 、热处理工艺 热处理工艺是决定刀剪产品质量的关键工序之一。据全国刀剪行业信息中心 浙江一f 业大学t 程硕上学位论文 调查，选用不同的热处理工艺处理的产品质量是不同的。检测结果表明，先进国 家的高档产品的硬度值高而且均匀，同一把刀剪硬度差值很小，金相组织显示晶 粒细小，回火马氏体组织均匀，充分发挥了材料经热处理后的组织性能，确保了 刀剪使用时具有的最佳功能。而国内不少企业在热处理时满足于规定的硬度要求 各项工艺指标参差不齐。 1 4 课题来源、目标、内容和工作方案 1 、课题来源 根据对杭州张小泉剪刀集团有限公司、阳江十八子厨业有限公司、温州市中 轻五金刀具有限公司、山东青州市剪刀厂、河北燕牌剪刀有限公司、湖州和孚刀 具有限公司等刀剪企业磨女0 技术的调查，磨削设备大多采用自制的半自动化操作， 设备精度不高；因从事刀剪行业的技术人员较少，技术力量薄弱，对刀剪磨削技 术处于表面研究，磨削参数取值多凭经验而定，对刀剪磨削缺乏深层次的研究。 因此提出本课题。 2 、研究目标 在完善和发展刀剪刃口大切削量磨削的理论基础上，结合现有的磨削方式，通 过对生产操作模式和工艺参数的优化，进而解决目前刀剪刃口磨削技术相对薄弱 的技术问题。 3 、研究内容 ( 1 ) 刀剪刃口磨削过程的方法； ( 2 ) 刀剪刃口磨削过程中砂轮和工件的磨削力、磨削温度、磨削表面残余应 力、磨削裂纹、磨削振动及磨削失效形式的分析； ( 3 ) 刀剪磨削参数的选择； 4 、工作方案 ( 1 ) 收集国内刀剪生产企业的各种磨削设备和刀剪强力磨削参数资料。 ( 2 ) 选择选用合理的砂轮、冷却方式及磨削量。 ( 3 ) 对刀剪的磨自方法和刀剪在磨削过程中所产生的磨削力、磨削温度、麽 削裂纹及磨削失效形式等进行理论分析及研究。 ( 4 ) 由生产厂进行磨削验证。 浙江t 业火学t 程颂l 学位论文 第二章刀剪产品磨削 刀剪磨削采用大磨削深度和常规进给速度，使砂轮与工件具有较大的接触面 积a 。，从而达到高会属磨除率z 。及高精度、低糨糙度要求的目的，是一种高效的 次性强力成型磨削。刀剪磨削与普通磨削的主要区别在于磨削深度虬较大 ( a 。= l 一5 r a m ) ，而磨削速度不低，切削力大，切削热量高及一次磨削呈曲面成 型。刀剪产品的磨削工艺特性直接影响到产品是否锋利、是否精致，以及提高产 品质量和生产效率。磨削运动机构工作节拍一般为：工件快速送入磨削定位点一 主运动停( 副运动磨削量进给) 一主运动仿形磨削一主运动快回( 副运动复位) 。 本章主要介绍刀剪磨削的常用方法，磨料、磨具、磨削面种类、刀剪磨削的 发展和关键技术要求。 2 1 刀剪磨削的常用方法 刀剪磨削的常用方法主要有平面磨削、单面磨削、双面磨削、曲面磨削、多 工位磨削和砂带磨削。 2 1 1 平面磨削 平面磨削是用平行砂轮的外圆面或端面、杯形砂轮、金刚石砂轮进行平面的 磨n n - - 2 方法。刀剪平面磨削主要采用端面磨削进行加工。刀剪立式磨床为立轴 矩台平面磨床，具有大批量强力磨削功能，进给系统采用快速升降的方法提高效 率。其典型磨床有：图2 一l 为从西德进口的数控双圆台磨床，其磨削参数见表2 1 ； 图2 2 为国产l m 7 2 3 0 a 立式磨床。 表2 - 1 双圆台磨床主要磨削参数 塑坚! 些叁兰：! 堡堡! 兰篁笙兰一一 图2 - 1 双圆台磨床 图2 - 2l m 7 2 3 0 a 立式磨床 平面磨削一次磨削多把刀具，生产效率高，但发热量大，且冷却条件差，排 屑困难，所以采用较粗粒度、硬度较软的树脂结合剂砂轮，有时还将砂轮修成内 锥，使砂轮与工件成线接触。 采用平面磨的刀具磨削纹理呈圆弧状，而剪刀设备磨削纹理呈直线状。 2 1 2 单面磨削 刀剪单面磨削指进行单面大容量磨削，主要应用于各种不同类型的刀、剪、 五金工具等产品刃口、刀口、工作面的麽削，如不锈钢塑柄剪、文具剪、裁剪、 圆林工具、餐具、中西式菜刀、工具刀、木工刀具、轻工机械刀具、食品机械刀 具、工具五金等的磨削。磨削面可以仿形为扭曲、圆弧、波浪形、平面、斜面等， 刀剪单面磨削系列设备设计较成熟，操作简便，运行可靠，生产效率高，维修成 本低。单面磨自0 以常用的d j - m 刀剪磨床为例，d j m 刀剪磨床左、右两台为一组，磨 浙江：f 业a 学工程坝卜学位论文 削刀剪晕口面和外口面，左边磨里口面，右边磨外口面，只需要一个操作工。圈 2 3 为d j m 刀剪磨床组合，磨削参数见表22 。刀剪单面磨床磨头采用先进的自动 测量补偿技术，液压系统控制工作台的运动和工件的央紧，工件的磨削可无级润 速。磨床设有仿形机构以确保获得不同要求的凹面、凸面、平面及扭曲面的磨削 效果。磨床可实现手动操作和自动操作两种工作方式，操作简单，调整、维修方 便。能提高刀剪质量和产量、避免粉尘、噪音污染，降低劳动强度，节约生产成 本，是刀剪行业常用的磨削设备。 表2 2d j m 刀剪磨床系列主要磨削参数 2 1 3 双面磨削 图2 - 3d j m 2 5 a 刀剪磨床组合 刀剪双面磨削指进行双面大容量磨削，主要用于刀具的磨削。该工艺的特点是 砂轮和被加工零件的成形运动简单，且生产率高。然而，当用方向相同但反向旋 浙江工业大学t 程颂卜学位论文 转的两砂轮同时加工刀具的两切削面时将出现特殊的情况，即引起两切削面的 平面度和平行度误差。双面磨自0 刀剪磨床能一次性磨削刀的两个平面，采用砂轮 自动补偿仿形磨削，精度高，质量可靠。以s m m 4 5 a 双面磨床为例，主要磨削参数 见表2 3 。 表2 - 3s m m 4 5 a 双面磨床主要磨削参数 2 1 4 曲面磨削 刀剪曲面磨削指进行刀剪曲面大容量一次性磨削。刀剪曲面磨削主要有刀剪 内凹弧面、刀剪外凸弧面、刃口成形面磨削。 1 、内凹弧面磨削 内凹弧面磨削一般磨刀剪的里口面，图2 4 为零件加工图，图2 5 为其剪刀 样品图。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 耋乏e 墨 图2 4 零件加工图 岛一a 放大 浙江j = 业大学t 程颂j j 学位论文 图2 5 内凹弧面磨削剪刀样品 刀剪内凹弧面磨削设备为刀剪磨床系列派生机型，具有单面磨削刀剪磨床的 基本功能外，还满足特殊用剪，内剪切面的锋利度要求，如理发剪、物殊钢民用 剪、工业皮革用剪、服装剪的里口面的磨削，具有里口深度内凹弧面特性。图2 - 6 为内凹弧面磨床一d j m l 5 a d 磨床，其磨削参数见表2 - 4 。 图2 6内凹弧面磨床一d j m l 5 a d 磨床 表2 4 内凹弧面磨床一d j m l 5 a d 磨床主要磨削参数 l 一_ - _ _ _ m _ _ m _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ h _ m _ _ - h - _ _ h _ - _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ w _ m _ _ - - _ _ _ ”* 一一一 项目 参数项目 参数 _ 电机功率5 5 k w 磨削粗糙度r a o4 砂轮尺寸中2 0 0 1 6 0 1 2 5 磨削行张2 5 0 m m ( m a x ) 生产效率 剪刀类：1 0 0 0 1 5 0 0 件8 小时，刀片类：2 0 0 0 2 5 0 0 件8 小时 “” 】0 浙江t 业人学t 程预士学位论文 2 、刀剪外凸弧面磨削 园林剪、食品切( 粉) 碎机刀片、缝纫圆盘刀片等纯圆弧刃口多为凸弧面，弧 面要求几何精度高，等分均匀，图2 7 为相关产品图。刀剪外凸弧面磨削设备是 根据这些产品设计的专用磨床，加工时能满足凸弧面的技术要求，生产效率高。 图2 8 为外凸弧面磨削设备一d j m l l 0 r 圆弧磨床，其磨削参数见表2 5 。 图2 7 刀剪外凸弧面产品图 图2 - 8d j m l l 0 r 圆弧磨床 表2 5d j m l1 0 r 圆弧磨床主要磨削参数 浙江1 = 业九学工程埘上学位论文 3 、刀剪刃口成形面磨削 刃口成形磨削是为了适应刀、剪具有特形刃口的磨削要求而设计，如齿形、 波浪形、弧形等特形面。广泛用于美容理发用剪、食品机械刀片、冰箱刀具、土l 金工具等产品的各种形面刃口磨削，图2 - 9 为刃口成形面磨削相关产品图。所配 用的磨床采用成形砂轮磨削，要求砂轮的修e 精度高、粗糙度低、操作简便。图 2 - - 1 0 为刃口成形面磨削设备一k z 3 0 0 a 刃口成形磨床，其磨削参数见表2 - 6 。 图2 - 9 刀剪刃口成形面产品图 图2 1 0k z 3 0 0 a 刃口成形磨床 斯江工业人学： 程颂l 学位论文 表2 6k z 3 0 0 a 刃口成形磨床主要磨削参数 2 1 5 多工位磨削 多工位刀剪磨女0 能一次磨出里口面、刃口面和背面，多用于裁剪等高档剪刀 的磨削。以杭州张小泉集团公司从西德进口的多工位刀剪磨床为代表，采用西门 子电脑程序进行自动化生产，生产效率高，加工精度高。图2 一1 1 为多工位刀剪磨 床。 2 1 6 砂带磨削 图2 1 1多工位刀剪磨床 砂带是种用黏结剂将磨料黏结在柔软的基体上的特殊磨具，用于取代砂轮。 刀剪砂带磨削是采用无接头的环形砂带，通过接触轮与张紧轮撑紧，由电动机传 动驱动轮带动砂轮作高速圊转，同时刀剪作横向进给，实现对工件的磨削加工。 刀剪砂带磨削以湿式强力砂带作为磨料，以面接触对工件表面进行磨削抛光，具 有无污染、不烧伤： 件表而、操作简易等特性，广泛应用于刀剪、工具、刀具、 浙江工业大学工程硕，卜学位论文 锁具、汽配等平面、斜面型五会工件的表面磨削和抛光。刀剪砂带磨削参数见表 2 7 。 表27 刀剪砂带磨削参数 2 2 磨料磨具 磨具由磨粒、结合剂和气孔组成。刀剪磨削切削深度大，磨r 力大，磨具用 磨料应具有以下性能“3 。 l 、具有很高的硬度 硬度是磨料的基本性能，要切入工件，其硬度必须高于工件的硬度。 2 、必须具有较好的韧性 适当的韧性能保证磨粒微刃的切削作用，并在钝化后能够破裂而产生新的切 削微刃，以继续保持其锋利状态。 3 、具有一定的机械强度 磨粒在磨削过程中要反复受到磨削力作用，并在接触工件时要受到冲击载荷 及磨削温度的影响，磨粒还会产生热应力。因此，磨粒必须具有一定的机械强度， 爿能保证磨粒发挥切削作用。 4 、具有热稳定性 由于磨削区的温度很高，因此要求磨粒在高温下仍能具有必要的物理机械性 能，以继续保持其锋利的切削刃。 根据上面的磨粒基本性能要求，经过近几年来的不断试制、总结，多数生产 厂家一般采用棕刚玉( a ) 磨料、白刚玉( w a ) 磨料和皓刚玉( z a ) 磨料，加入氧 化镁( 棱苦土) 或树脂结合剂，陔类磨料以套筒形式成型，磨削工作面在端面， 分直口与斜口两种。如图2 一1 2 所示。 这种磨具的主要特性表现为： l 、磨削效率高：是一般棕、白刚玉砂轮的3 5 倍，一次切入深度可达l 5 m m 。 浙江工业大学工程坝七学位论文 和提高耐腐蚀的性能，适宜在各种冷却液下磨削，并能较好地保持砂轮的几何形 状。这种结合剂砂轮，具有刚性大、磨粒保持性强、耐热性好等优点，是进行刀 剪磨削的较好磨削工具，同时宜采用水溶液作为磨削液。 总之，刀剪强力磨削采用氧化镁( 棱苦土) 或树脂砂轮，可大大提高金属切除 率和低表面粗糙度的表面。若采用金刚石怀形修整滚轮作连续修整磨削，砂轮能 始终保持稳定的锋利程度和形状精度，可使刀剪的加工质量高度稳定。 2 3 磨削面种类及技术要求 2 3 1 磨削面种类 刀剪五金产品的磨削面除基本平面、斜面外，还应磨削非平面类成型面，如弧 面、波浪面、外凸面、内凹面、螺旋面等。如图2 1 3 所示。 图2 1 3 磨削面种类示意图 2 3 2 磨削面技术要求 1 、表面质量 磨削面粗糙度一般要求在r a l 6 内，刃口、剪切面达r a 0 4 o 8 。电可通过调 整磨料粒度、线速来获得高质量表面。 2 、成型面精度 刀剪五金产品成型面的磨削，一般主要靠几何仿形获得，通过仿形板理论曲线 逼近法，精度能达到0 1 o 3 m m 。 3 、内在质量 刀剪五金产品磨削工艺的一个重要特性，即多数磨削面都是一次性磨削成型， 浙江工业大学工程坝- j 一学位论文 而且往往安排在热处理工艺之后，因此，磨削引起的烧伤、退火都不允许产生。 4 、生产效率 机械化磨削比手工操作提高2 3 倍。其磨削速度一般为1 0 2 0 m m s ，以单面 磨为例，班产可达1 5 0 0 2 0 0 0 件。运用多面磨、立磨效率还可提高2 4 倍。 2 4 刀剪磨削技术的发展和关键技术 2 4 1 刀剪磨削技术发展 刀剪产品，大多都要通过磨削工艺来达到剪切面及刃口的锋利要求。六、七 十年代我国刀剪产品采用手工磨削的方法，工人劳动强度大，工作环境差，磨削 所产生的细小粉尘使得工人易患职业病一矽肺。到了八十年代，刀剪磨床的开发 带来了一场革命，如无锡江南大学开发的刀剪磨床运用液压原理使得产品质量更 加稳定。杭州张小泉剪刀厂从西德西普曼公司进口的刀剪磨床工作效率高，产量 从原来的5 0 0 把班增加到1 0 0 0 把班，产品表丽质量提高。近年来，随着磨料的 不断完善，大量五金制品、工具类产品，如钳、锯、木工刨刀、工业刀片等，也 通过磨削工艺来代替金切加工和抛光，达到提高产品质量和生产效率，降低成本 和环境污染的效果。近几年来国外刀剪磨削技术发展迅速，例如多工位的磨削， 对硬脆材料磨削机理及工艺的研究、在利用磨削热量同时进行工件热处理，以及 不使用磨削液的无污染磨削等方面，我国与国外有一定差距。为此，我们一方面 要积极开展引进国外先进磨削技术的研究工作；同时在国内应结合生产，系统地 开展和推广各种先进与实用的磨削技术。只有这样，才能使我国的刀剪磨削技术 尽快赶上国外先进水平，并能做到有所发展与创新。 为什么刀剪磨削技术会不断地发展? 主要原因如下。： 1 、加工精度高 由干磨具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多，切 削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切削、工件 硬度的变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工刀剪获得较高的加 工精度。 2 、加工效率高 一次磨削深度可达到o - - s m m ，如将砂轮修整成所需形状，一次便可磨出所需的 17 浙江工业夫学丁程4 , i ：l - 学位论义 刀剪曲面形状。而当速度进步提高后，其加工效率则更高。 3 、工程材料不断发展 许多材料( 如复合材利、不锈钢材料等) 在生产中的应用不断扩大，有些材 料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相适应。 4 、新的磨料磨具 如人造金刚石砂轮、c b n 砂轮的出现，扩大了磨自, jj j n i 的应用范围。 5 、相关技术的发展 砂轮制造技术、控制技术、运动部件的驱动技术、支撑技术等，促进了刀剪磨 削技术及磨削装备的发展。 总之，刀剪磨削技术发展很快。目前，磨削技术的发展趋势是，发展合适的 磨料磨具，研究精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制 高精度、高刚性的自动化磨床。 2 4 2 刀剪磨削的关键技术要求 就刀剪磨削而言，由于刀剪生成曲线的特殊性，它既不是圆也不是直线，就 决定了刀剪磨床磨削工艺的特殊性。刀剪磨削主要指刀剪强力磨削、高效磨削， 其涉及的内容广泛，不仅包括磨削本身的技术，也集中了其它相关的技术。”“ 1 、磨削机理及磨削工艺的研究 由于刀剪磨削的大切深、常用进给速度，使切屑形状、磨削力、磨削热及加工 表面完整性等方面均与普通磨削不同。 通过对磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质， 找出其变化规律，例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的 形成过程、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素和条件；不同刀剪材料( 特 别是难加： 材料和特殊功能材料) 和不同磨拷条件的最佳磨削参数；磨具的磨损， 新型磨具材料的磨削性能等，只有通过磨削机理和磨削工艺的研究，才能确定最 佳的磨削范围，获取最佳的密削参数。 2 、高速、高精度主轴单元制造技术 主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统 的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对刀剪强力磨削、高效磨削 浙江工业大学工程砸l 学位论文 起着关键的作用。 提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特别是在砂轮直径受到限制的 场合。因而，适应高精度、强力磨削磨床的主轴单元是磨床的关键部件。其主轴 单元系统，应该是刚性好，回转精度高，运转时温升小、稳定性好、可靠，功耗 低，寿命长，同时，成本也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主 轴的支撑( 轴承) ，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的。 3 、机床支承技术及辅助单元技术 机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术。辅助单元技术包 括快速工件装夹技术，高效冷却润滑液过滤系统、机床安全装置、切屑处理及工 件清洁技术、主轴及砂轮的动平衡技术等。 磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它 有良好的静刚度、动刚度及热刚度。 4 、砂轮制造及其新技术 随着刀剪材料的发展及其应用，砂轮的设计，其截面形状的优化、粘结剂的 结合强度及其适用性、砂轮基体的材料、砂轮的制造技术等是非常重要的，目前 需对一些关键技术进行攻关： ( 1 ) 砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及其优化； ( 2 ) 砂轮新型粘结剂； ( 3 ) 新型砂轮的制造工艺，既要使砂轮具有足够的容屑空间，也要有更好的 凸出性。 5 、砂轮在线修整技术“” 在磨削过程中，砂轮由于磨钝和磨损，需要进行及时修整，特别是对刀剪强 力磨削而言，砂轮更需频繁修整。特别是在线修整是个难题。关键问题有： ( i ) 新的、高效实用的砂轮修整技术及其装置； ( 2 ) 砂轮在线修整技术； ( 3 ) 砂轮的自锐性。 刀剪磨削过程中砂轮连续修整开始于2 0 世纪8 0 年代初，随着刀剪磨床的开发， 砂轮在线修整技术是刀剪磨削中最大的一项技术进步。所谓连续修整系指边进行 磨削边将砂轮再成形和修整的方法。修整时余刚石修整滚轮始终与砂轮接触。使 砂轮始终处于锐利状态，有利于提高磨削精度。它是采用专门的连续修整磨床， 19 浙江t 业大学工程顺卜学位论文 其原理见图2 1 4 。磨削时，由于工件尺i j _ 逐渐减少，需砂轮相应地切入工件，修 整滚轮亦应改变切入速度对砂轮进行修整，这样使修整滚轮相对砂轮的位置发生 了变化。则由修整磨床实现其位置调整。 连续修整砂轮，减省了修整时间，提高磨削效率；比磨削能几乎保持不变，磨 粒锐利程度几乎不变，对保持工件形状和尺寸十分有利，尤其对长形刀剪磨削， 不再受砂轮磨损的影响，使工件的磨削长度不受砂轮磨损的限制。同时，修整的 砂轮在单位时间内去除量大，对工件热影响小，工件精度一致性好。其磨自力也 会降低，使磨削过程趋于稳定，从而可避免烧伤工件。 图2 1 4 砂轮连续修整原理 6 、环境友好的相关磨削技术“o 。1 “ 刀剪磨削过程中，冷却液的作用主要是冷却和润滑、将磨削热从工件表面带 走、冲届0 掉磨削时留在工件和砂轮表面上的切屑。合理的冷却方法及冷却装置非 常重要。 7 、磨削过程的检测控制技术 磨削过程的检测与控制，主要是通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程 进行实时监控，例如对砂轮的磨损及破损情况进行监测和控制，对工件的尺寸、 形状与位置精度和加工表面质量进行监控。这需要研究新的实用的传感器、检测 与监控方法。其关键技术有： ( 1 ) 砂轮的磨损及破损的监控技术； ( 2 ) 工件的尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术； ( 3 ) 精度高、可靠性好、实用性强的测试技术与仪器。 20 浙江t 业人学工桎坝士学位论文 对于刀剪磨削来说，目前磨削过程的检测控制技术是一项空白。 2 5 小结 本章介绍了国内生产企业的刀剪磨削方法，分折刀剪所用磨料磨具的特点 综述了刀剪磨削面的种类，提出刀剪磨削的关键技术要求。 浙江t 业人学1 。程坝小学位拴立 第三章刀剪磨削力的数理分析 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及 磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的，在于搞清楚磨削 过程的基本情况，这不仅是刀剪磨床的设计基础，而且是刀剪磨削技术研究中的 主要问题。 刀剪磨削是一个复杂的过程，它包含各种物理现象和大量的随机因素，其理 论涉及到切削理论和摩擦学等方面。虽然多年对磨削理论进行研究，但由于磨削 过程的多样性和复杂性，许多问题迄今尚未定论，有些问题还存在不同的看法。 为分析磨削过程的一些基本情况，对磨削力的研究是首要问题。磨削力是磨床设 计基础，也是磨削研究中的主要因素，几乎与所有的磨自i 参数有关。 这一章从基本的磨肖0 过程出发，将砂轮的磨粒简化成锥形颗粒，先从单个磨 粒的受力情况分析，再提出整个刀剪磨削过程中磨削力的计算公式。为以后的章 节计算提供依据， 3 1 砂轮与工件接触弧长度及接触时间 刀剪磨削速比大，单颗磨粒切下切屑薄而长，砂轮与工件接触弧长度f 大，普 通磨削接触弧长仅几毫米，刀剪磨削砂轮与工件接触弧长z ，达一厘米左右。接触弧 度t 大，消耗较大的磨削能，刀剪磨削所需要的能量约是普通磨削的8 倍。 当刀剪磨削选用与普通磨削相同的砂轮